Pourquoi le tungstène est-il essentiel dans tant d'industries ? Ce métal remarquable, d'une dureté extrême et d'un point de fusion élevé, est utilisé dans tous les domaines, des filaments d'ampoules aux tuyères de fusées. Dans cet article, nous explorons les propriétés uniques du tungstène et ses diverses applications, de l'amélioration de la résistance de l'acier à la création de superalliages. Découvrez comment les caractéristiques exceptionnelles de ce métal le rendent indispensable à la technologie et à l'industrie modernes.
Le tungstène a un point de fusion de 3410°C et un point d'ébullition d'environ 5900°C. Sa conductivité thermique est de 174 w/m-K à 10-100°C, et il a un taux d'évaporation lent à haute température avec un coefficient de dilatation thermique très bas.
Le coefficient d'expansion est de 4,5×10-6-K-1 entre 0 et 100°C.
La résistivité électrique du tungstène est environ trois fois supérieure à celle du cuivre, avec une valeur de 10-8 ohm/m à 20°C.
Le tungstène se caractérise par sa grande dureté, sa densité élevée (19,25 g/cm3), une bonne résistance à haute température et d'excellentes propriétés d'émission d'électrons.
Les propriétés mécaniques du tungstène dépendent principalement de son état de transformation et du processus de traitement thermique. Le tungstène ne peut pas être transformé à froid sous pression.
Le forgeage, le laminage et l'étirage doivent être effectués à chaud.
Le tungstène a une bonne plasticité, et une barre de tungstène de 1 kg peut être étirée en un fil mince d'un diamètre de seulement 1% mm et d'une longueur d'environ 400 km.
Ce fil fin conserve une certaine résistance même dans un environnement à haute température (3000°C), présente une efficacité lumineuse élevée et une longue durée de vie, ce qui en fait un excellent matériau pour la fabrication de divers filaments de lampe.
Le fil de tungstène est utilisé pour fabriquer des lampes à incandescence, des lampes au tungstène iodé et même des ampoules et des tubes de dernière génération dans le monde entier.
À température ambiante, le tungstène est stable dans l'air. A 400-500°C, il commence à s'oxyder et forme un film protecteur de surface dense de couleur bleu-noir W03.
Le tungstène n'est pas facilement corrodé par les acides, les alcalis et l'eau régale à température ambiante, mais il est soluble dans une solution mixte d'acide fluorhydrique et d'eau régale.
80% de tungstène extrait dans le monde sont utilisés pour la fusion d'acier de haute qualité, 15% pour la production d'acier dur, et les 5% restantes sont utilisées à d'autres fins.
Le tungstène peut être utilisé pour fabriquer des armes à feu, des tuyères de fusée et des métaux. outils de coupece qui en fait un métal polyvalent.
Le tungstène est un élément d'alliage important dans l'acier, qui améliore sa solidité, sa dureté et sa résistance à l'usure.
Les principaux types d'acier au tungstène sont l'acier à outils à grande vitesse, l'acier pour travail à chaud, l'acier pour outils et matrices en série, les armes militaires, l'acier pour turbines, l'acier magnétique, etc.
Outils en acier au tungstène sont plusieurs fois, voire des dizaines de fois, plus résistants que ceux en acier ordinaire.
Lorsque l'acier au tungstène est utilisé pour fabriquer des canons ou des cylindres de fusils, il peut conserver une bonne élasticité et une bonne résistance mécanique même si le canon est chauffé par le frottement d'un tir continu.
Sur les machines à découper les métaux, le tungstène découpe de l'acier conservent leur dureté même à des températures allant jusqu'à 1000°C.
Pulvérisation ou soudage de tungstène-chrome-cobalt acier allié avec du tungstène 3%-15% sur la surface de pièces en acier ordinaire revient à leur donner une "armure" dure.
Ils supportent des températures et des pressions élevées, résistent à la corrosion, réduisent l'usure et ont une durée de vie plusieurs fois supérieure.
En raison des excellentes propriétés et du large éventail d'applications de l'acier au tungstène, 90% du tungstène produit dans le monde entier est utilisé pour le fabriquer.
L'acier rapide largement utilisé contient 9%-24% de tungstène, 3,8%-4,6% de chrome, 1%-5% de vanadium, 4%-7% de cobalt et 0,7%-1,5% de carbone.
La caractéristique de l'acier rapide est qu'il peut s'auto-tremper à des températures de revenu élevées (700-800°C) dans l'air, ce qui lui permet de conserver une dureté et une résistance à l'usure élevées jusqu'à 600-650°C.
L'acier au tungstène dans l'acier à outils allié contient 0,8%-1,2% de tungstène ; l'acier chrome-tungstène-silicium contient 2%-2,7% de tungstène ; l'acier chrome-tungstène contient 2%-9% de tungstène ; et l'acier chrome-tungstène-manganèse contient 0,5%-1,6% de tungstène.
L'acier au tungstène est utilisé pour fabriquer divers outils tels que des forets, des fraises, des filières de tréfilage, des moules mâles et femelles, des outils à gaz et d'autres pièces.
L'acier magnétique au tungstène est un acier à aimant permanent contenant 5,2%-6,2% de tungstène, 0,68%-0,78% de carbone et 0,3%-0,5% de chrome.
L'acier magnétique au tungstène et au cobalt est un matériau magnétique dur contenant 11,5%-14,5% de tungstène, 5,5%-6,5% de molybdène et 11,5%-12,5% de cobalt.
Ils ont une force d'aimantation et une force coercitive élevées.
Le tungstène est le principal élément d'alliage de l'acier à outils rapide, de l'acier de construction allié, de l'acier à ressorts, de l'acier résistant à la chaleur et de l'acier inoxydable.
Le tungstène peut être allié par renforcement par solution solide, par précipitation et par dispersion afin d'améliorer sa résistance à haute température et sa plasticité.
Par le biais d'alliages, le tungstène a formé une variété d'alliages de métaux non ferreux qui ont un impact significatif sur la civilisation humaine contemporaine.
L'ajout de rhénium (3%-26%) au tungstène peut améliorer de manière significative sa ductilité et sa température de recristallisation.
Après un traitement approprié à haute température recuit certains alliages tungstène-rhénium peuvent atteindre une élongation de 5%, bien supérieure aux 1%-3% du tungstène pur ou dopé.
Les alliages tungstène-thorium formés par l'ajout de 0,4%-4,2% d'oxyde de thorium (ThO2) au tungstène ont une grande capacité d'émission thermique d'électrons et peuvent être utilisés comme cathodes chaudes pour les tubes électroniques, soudage à l'arc sous argon électrodes, etc.
Cependant, la radioactivité du ThO2 n'a pas été résolue depuis longtemps. Les alliages de cérium-tungstène (W-CeO2) développés en Chine et les alliages de lanthane-tungstène et d'yttrium-tungstène fabriqués en utilisant La2O3 et Y2O3 comme dispersants (teneur en oxyde généralement inférieure à 2,2%) ont été largement utilisés comme électrodes à haute température pour l'argon. soudage à l'arcle soudage et le découpage au plasma, les fours à arc non autoconsommables, etc., remplaçant le W-ThO2 alliages.
Les alliages tungstène-cuivre et tungstène-argent sont un type de matériau composite métallurgique en poudre composé d'éléments qui ne réagissent pas entre eux et ne forment pas de nouvelles phases.
Les alliages tungstène-argent et tungstène-cuivre ne sont pas des alliages à proprement parler et sont donc considérés comme des pseudo-alliages.
Les alliages tungstène-argent, communément appelés tungstène argenté par infiltration, contiennent 20%-70% de cuivre ou d'argent et possèdent d'excellentes propriétés de conductivité électrique et thermique du cuivre et de l'argent, ainsi que le point de fusion élevé et les propriétés de résistance à la corrosion du tungstène.
Ils sont principalement utilisés dans les tuyères de fusées, les contacts électriques et les composants de support des semi-conducteurs.
La tuyère d'un missile North Star A-3 est en tungstène infiltré d'argent 10%-15%, et la tuyère de la fusée utilisée dans le vaisseau spatial Apollo, qui pèse plusieurs centaines de kilogrammes, est également en tungstène.
Les alliages tungstène-molybdène ont une résistivité électrique plus élevée et une meilleure ténacité que le tungstène pur. Ils ont été utilisés comme filaments dans les tubes électroniques et les fils de scellement du verre.
Le tungstène, en tant qu'élément d'alliage, est également mentionné dans les alliages de métaux non ferreux tels que les superalliages. Dans les années 1940, pour répondre aux besoins en matériaux à haute température des turboréacteurs de l'aviation, les superalliages sont nés dans le fracas des armes à feu.
Les superalliages sont composés de trois types d'alliages structurels spéciaux : à base de nickel, à base de cobalt et à base de fer.
Ils peuvent encore conserver une résistance extrêmement élevée, une résistance au fluage, une résistance à l'oxydation et une résistance à la corrosion à des températures élevées (500-1050°C).
En outre, ils peuvent garantir l'absence de fracture pendant la durée de vie à long terme de plusieurs années, c'est-à-dire qu'ils présentent les caractéristiques de résistance à la fatigue à cycle élevé et à la fatigue à cycle faible. Ces performances sont cruciales pour l'industrie aérospatiale, qui concerne des vies humaines.
Le tungstène est un élément d'alliage important dans l'industrie sidérurgique, qui peut améliorer la solidité, la dureté et la résistance à la corrosion de l'acier.
Les alliages durs (carbure de tungstène) contenant du tungstène 60%-90% présentent une dureté, une résistance à l'usure, une résistance à la corrosion et une résistance à la chaleur élevées. Ils sont utilisés pour fabriquer des forets, des outils de coupe et des pièces résistantes aux températures élevées.
Les alliages tungstène-cuivre (ou tungstène-argent) avec une teneur en tungstène de 60%-90% sont d'excellents matériaux de contact et peuvent être utilisés comme interrupteurs électriques, disjoncteurs, et soudage par points électrodes.
L'alliage tungstène-nickel-cuivre peut être utilisé comme écran de protection contre les rayons α et γ. Dans les moteurs de fusée, les tuyères non refroidies en tungstène peuvent résister à une température élevée de 3127°C, ainsi qu'à une pression et à des contraintes thermiques importantes.
Il peut être utilisé comme matériau luminescent et comme cible de cathode à rayons X dans les secteurs de l'éclairage et de l'électronique.
Il peut également être utilisé comme élément chauffant de four à résistance à haute température. Le thermocouple composé de tungstène et d'alliage tungstène-rhénium (26%) peut mesurer des températures allant de la température ambiante à 2835°C.
Le diséléniure de tungstène peut être utilisé comme lubrifiant pour les roulements à lubrification supérieure, avec une plage de température de lubrification de -217°C à 350°C. Les pigments composés de tungstène sont brillants et durables.
Les alliages spéciaux dont le tungstène est le composant principal sont les suivants :
La fabrication d'alliages de tungstène de haute densité à base de tungstène est devenue un domaine d'application important du tungstène.
L'ajout simultané de nickel, de fer, de cuivre et d'une petite quantité d'autres éléments à la poudre de tungstène au moyen de la technologie de frittage en phase liquide permet de produire un alliage de tungstène de haute densité.
En fonction de leur composition, les alliages de tungstène à haute densité peuvent être divisés en deux systèmes d'alliage : tungstène-nickel-fer et tungstène-nickel-cuivre.
Sa densité peut atteindre 17-18,6 g/cm3 par frittage en phase liquide. Le frittage en phase liquide fait référence au processus de frittage dans lequel il y a une certaine quantité de phase liquide à la température de frittage lorsque la poudre mélangée est pressée et formée.
Son avantage est que la phase liquide mouille les particules en phase solide et dissout une petite quantité de matière solide, ce qui accélère considérablement le processus de densification et de croissance des grains et permet d'obtenir une densité relative extrêmement élevée.
Par exemple, pour la poudre de nickel-fer couramment utilisée dans le frittage en phase liquide, la poudre de nickel-fer fond pendant le frittage. Bien que la solubilité du tungstène à l'état solide (95% en volume) dans le nickel-fer à l'état liquide soit extrêmement faible, le tungstène à l'état solide est facile à dissoudre dans le nickel-fer à l'état liquide.
Lorsque le nickel-fer liquide mouille les particules de tungstène et dissout une partie de la poudre de tungstène, la forme des particules de tungstène change et les pores internes disparaissent immédiatement lorsque le liquide s'écoule.
Le processus se poursuit, et les particules de tungstène continuent de grossir et de croître jusqu'à ce qu'elles produisent un produit final d'une densité proche de 100% et présentant une microstructure optimale.
L'alliage de tungstène haute densité obtenu par frittage en phase liquide présente non seulement une densité supérieure à celle du tungstène pur, mais aussi une meilleure résistance aux chocs. Sa principale application est la fabrication de balles militaires perforantes à haute pénétration.
Alliages résistants à la chaleur et à l'usure, en tant que métal le plus réfractaire, le tungstène est l'un des composants de nombreux alliages résistants à la chaleur.
Par exemple, un alliage composé de 3-15% de tungstène, 25-35% de chrome, 45-65% de cobalt et 0,5-2,75% de carbone est principalement utilisé pour des pièces très résistantes à l'usure, telles que les soupapes des moteurs d'aviation, les pièces de travail des matrices d'estampage à chaud, les roues de turbines, les équipements d'excavation et les revêtements de surface des socs de charrue.
Dans l'aérospatiale et la technologie des fusées, ainsi que dans d'autres secteurs nécessitant une résistance thermique élevée des pièces de machines, des moteurs et de certains instruments, le tungstène et les alliages avec d'autres métaux réfractaires (tantale, niobium, molybdène, rhénium) sont utilisés comme matériaux résistants à la chaleur.
Actuellement, il existe 35 à 40 marques connues de superalliages, dont beaucoup contiennent du tungstène comme l'un de leurs principaux composants (voir tableau).
Alliage | Composition(%) | ||||||||||
Cr | Ni | Co | Mo | W | Nb | Ti | Al | Fe | C | Autres | |
Base Fe-Ni | 19.9 | 9.0 | 1.25 | 1.25 | 0.4 | 0.3 | 66.8 | 0.30 | 1.10Mn,0.6Si | ||
Base Ni Rene80 Rene95 MAR-M247 INMA-6000E | 14.0 14.0 8.25 15.0 | 60.0 61.0 59.0 68.5 | 9.5 8.0 10.0 | 4.0 3.5 0.7 2.0 | 4.0 3.5 10.0 4.0 | 3.5 | 5.0 2.5 1.0 2.5 | 3.0 3.5 5.5 4.5 | <0.3 <0.5 | 0.17 0.16 0.15 0.05 | 0,015B,0,03Zr 0,01B,0,05Zr 0.015B 1,1Y2O3,2,0Ta, 0,01B,0,15Zr |
Co base Haynesm25 (L605) Haynesl88 S-816 X-40 WI-52 MAR-M3O2 MAR-M5O9 J-1570 | 20.0 22.0 20.0 22.0 21.0 21.5 23.5 20.0 | 10.0 22.0 20.0 10.0 10.0 28.0 | 50.0 37.0 42.0 57.5 63.5 58.0 54.5 46.0 | 4.0 | 15.0 14.5 4.0 7.5 11.0 10.0 7.0 | 4.0 | 0.2 4.0 | 3.0 3.0 Max 4.0 1.5 2.0 0.5 2.0 | 0.10 0.10 0.38 0.50 0.45 0.85 0.6 0.2 | 1,5 million 0,90La 0,5Mn,0,5Si 2.0Nb+Ta 9,0Ta,0,005B,0,2Zr 0,5Zr |
La teneur en tungstène de ces alliages varie d'un minimum de 0,6% à un maximum de 15%. Bien qu'il ne représente pas une proportion importante, la demande pour ces alliages dans les applications d'ingénierie à haute température telles que l'industrie aérospatiale et les centrales thermiques est significative.
On estime qu'au niveau mondial, plus des deux tiers des superalliages sont utilisés dans l'industrie aérospatiale, un septième dans les centrales nucléaires et les turbines à gaz, et un autre septième dans les opérations maritimes et le transport.
Les alliages durs à base de carbure de tungstène présentent une dureté élevée, une grande résistance à l'usure et des propriétés réfractaires.
Ces alliages contiennent 85% à 95% de carbure de tungstène et 5% à 14% de cobalt, qui agit comme un métal de liaison, apportant la résistance nécessaire à l'alliage.
Ils sont principalement utilisés dans certains alliages pour la transformation de l'acier, contenant également titaneles carbures de tantale et de niobium.
Tous ces alliages sont fabriqués à l'aide de procédés de métallurgie des poudres. Lorsqu'ils sont chauffés à 1000-1100 ℃, ils conservent une dureté et une résistance à l'usure élevées.
La vitesse de coupe de alliage dur La vitesse de coupe des outils de coupe dépasse de loin celle des meilleurs outils de coupe en acier à outils. Les alliages durs sont principalement utilisés dans les outils de coupe, les outils miniers, les filières de tréfilage, etc.
Le carbure de tungstène peut conserver une bonne dureté même à des températures supérieures à 1000 ℃, ce qui en fait un outil idéal pour la coupe et le meulage.
La poudre de tungstène (ou W03) est mélangée à du noir de carbone, puis cémentée à une certaine température sous hydrogène ou sous vide pour produire du carbure de tungstène (WC).
Le WC est ensuite mélangé à un agent de liaison métallique, le cobalt, dans une proportion spécifique.
Après poudrage, moulage, frittage et autres processus, les produits en alliage dur tels que les outils de coupe, les moules, les rouleaux et les roches d'impact sont fabriqués à partir d'alliages durs. forage sont produits.
Les alliages durs à base de carbure de tungstène actuellement utilisés peuvent être divisés en quatre catégories : carbure de tungstène-cobalt, carbure de tungstène-carbure de titane-cobalt, carbure de tungstène-carbure de titane-carbure de tantale (niobium)-cobalt et alliages durs liés à l'acier.
Sur les quelque 50 000 tonnes de tungstène consommées chaque année dans le monde, les alliages durs à base de carbure de tungstène représentent environ 63%.
Selon des rapports récents, la production mondiale totale d'alliages durs est d'environ 33 000 tonnes par an, consommant 50% à 55% de l'offre totale de tungstène.
Le tungstène et ses alliages sont largement utilisés dans les industries de l'électronique et des sources de lumière électrique.
Le filament de tungstène aux performances anti-fléchissement est utilisé pour la fabrication de diverses ampoules d'éclairage et de filaments de tubes électroniques.
Le filament de tungstène dopé au rhénium est utilisé pour fabriquer des thermocouples ayant une large plage de mesure de la température (0-2500 ℃), une bonne relation linéaire entre la température et le potentiel thermoélectrique, une réponse rapide à la température (3 secondes) et un coût relativement faible, ce qui en fait un thermocouple idéal pour les mesures dans une atmosphère d'hydrogène.
Tirant parti du point de fusion élevé du tungstène sans compromettre son intégrité mécanique, il devient un type de source d'émission d'ions thermiques pour l'électronique, comme les sources d'électrons pour les microscopes électroniques à balayage et les microscopes électroniques à transmission.
Il est également utilisé comme filament dans les tubes à rayons X.
Dans les tubes à rayons X, les électrons générés par le filament de tungstène sont accélérés et entrent en collision avec les anodes en tungstène ou en alliage de tungstène et de rhénium, émettant des rayons X à partir de l'anode.
L'énergie du faisceau d'électrons produit par le filament de tungstène doit être extrêmement élevée pour générer des rayons X, de sorte que les surfaces frappées par le faisceau d'électrons sont très chaudes.
C'est pourquoi la plupart des tubes à rayons X sont équipés d'anodes rotatives. Les filaments de tungstène de grande taille sont également utilisés comme éléments chauffants dans les fours à vide.
Dans l'industrie électronique, en particulier dans la fabrication de circuits intégrés, la technologie de formation de films sur des substrats par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) est un processus complètement différent de la production de matériaux en vrac en tungstène (matériaux en bloc) par la technologie de la métallurgie des poudres.
La source de tungstène la plus couramment utilisée dans le processus de dépôt CVD est l'hexafluorure de tungstène (WF6).
Le WF6 est un liquide à température ambiante, mais lorsqu'il circule avec de l'hydrogène gazeux sur la pièce à revêtir, il se combine avec le gaz en raison de sa pression de vapeur extrêmement élevée et se dépose sélectivement sur la surface de la pièce à environ 300°C par la réaction WF6+3H2→W+6HF.
Les vias en tungstène formés par dépôt sur les circuits intégrés peuvent être connectés à un autre fil horizontal sur le circuit imprimé sous forme de petites fiches métalliques.
Le diamètre de ces petits bouchons est de 0,4 millimètre avec un rapport longueur/diamètre de 2,5, et peut être réduit à 0,1 millimètre à l'avenir, pour atteindre un rapport longueur/diamètre de 5.
En raison de son excellente conductivité et de l'absence de réaction avec les matériaux environnants, la méthode CVD est le seul moyen de remplir les canaux et de purifier les surfaces qui ne nécessitent pas de tungstène.
Le tungstène, matériau utilisé dans l'éclairage électrique sous vide, est disponible sous forme de fils et de bandes de tungstène et de divers composants forgés pour la production de tubes électroniques, d'électronique radio et de technologie à rayons X.
Le tungstène est le meilleur matériau pour fabriquer des filaments tissés blancs et des filaments spiralés. Sa température de fonctionnement élevée (2200-2500°C) garantit une grande efficacité lumineuse, tandis que son faible taux d'évaporation assure une longue durée de vie au filament.
Le fil de tungstène est utilisé pour fabriquer des cathodes à chauffage direct et des électrodes de grille pour les tubes d'oscillation électroniques, des cathodes pour les redresseurs à haute tension, des réchauffeurs de cathodes auxiliaires dans divers instruments électroniques.
Le tungstène est également utilisé comme anode et cathode pour les tubes à rayons X et les tubes à décharge, ainsi que comme contacts pour les équipements radio et comme électrodes pour les pistolets de soudage à l'hydrogène atomique.
Les fils et tiges de tungstène sont utilisés comme éléments chauffants dans les fours à haute température (jusqu'à 3000°C). Les éléments chauffants en tungstène peuvent fonctionner dans des atmosphères d'hydrogène, des atmosphères inertes ou sous vide.
Parmi les autres applications du tungstène figurent ses composés, qui peuvent être utilisés comme catalyseurs dans l'industrie pétrochimique et comme retardateurs de flamme, mordants, pigments, colorants, matériaux fluorescents, peintures décoratives et lubrifiants solides dans l'industrie textile et l'industrie des plastiques.
Le tungstate de sodium est utilisé pour produire certains types de peintures et de pigments, et dans l'industrie textile pour lester les tissus et fabriquer des tissus ignifuges et imperméables en les mélangeant avec du sulfate d'ammonium et du phosphate d'ammonium.
Il est également utilisé dans la fabrication de tungstène métallique, d'acide tungstique et de sels de tungstate, ainsi que dans les teintures, les pigments, les encres, la galvanoplastie et comme catalyseur. L'acide tungstique est un mordant pour les textiles et un catalyseur pour la production d'essence à haut indice d'octane dans l'industrie chimique.
Le disulfure de tungstène est utilisé comme lubrifiant solide et comme catalyseur dans la synthèse organique, notamment dans la production d'essence synthétique.
Les alliages tungstène-cuivre (10%-40% cuivre) et tungstène-argent fabriqués par métallurgie des poudres sont d'excellents matériaux de contact en raison de leur bonne conductivité électrique, thermique et de leur résistance à l'usure.
Ils sont couramment utilisés dans la fabrication de pièces de rechange telles que les contacts d'interrupteurs, les disjoncteurs et les électrodes de soudage par points.
Les alliages à haute densité contenant 90%-95% de tungstène, 1%-6% de nickel et 1%-4% de cuivre, ainsi que les alliages utilisant du fer à la place du cuivre (~5%), sont utilisés pour fabriquer des rotors de gyroscopes, des poids d'équilibrage pour les avions et des surfaces de contrôle, des boucliers contre les radiations et des paniers à matériaux.
En résumé, le tungstène, qu'il soit utilisé comme élément d'alliage, carbure de tungstène, ou sous sa forme métallique ou composée, est un matériau important et indispensable dans divers secteurs de l'économie nationale et de la technologie de pointe, notamment l'acier, les machines, les mines, le pétrole, les fusées, l'aérospatiale et l'électronique.
La Chine possède les plus grandes réserves totales de tungstène au monde.
Les mines de tungstène de Pangushan, Xihuashan et Dajishan, dans la province de Jiangxi, sont les plus grandes régions productrices de tungstène au monde.
Les mines de tungstène des provinces telles que le Hunan, le Guangxi et le Guangdong disposent également d'abondantes réserves.